PITZ - der LaserStand und Perspektiven

Juergen Baehr

25/06/2002

Technisches SeminarDESY-Zeuthen

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1. Was ist ein Laser

2. Status des PITZ-Lasers

3. Funktion des Lasers bei PITZ

4.PITZ

5.Wie arbeitet ein Laser

6. Nicht-lineare Optik

7. Optische Elemente des PITZ-Lasers

8. Gesamtschema des PITZ-Lasers

9. Strahltransport-System und erste Messungen

10. Geplante Weiterentwicklung

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1. Was ist ein Laser

Laser è Lichtquelle:

Erzeugt kohaerentes zu einem Strahl gebuendeltesLicht hoher Energiedichte.

Kohaerenz: raeumliche ó zeitliche

Zwischen Teilen des Wellenfeldes bestehengeordnete Phasenbeziehungen

è Interferenzfaehigkeit

zeitliche Kohaerenz ó Monochromasie

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2. Status des PITZ-Lasers

Entwicklung: Max-Born-Institut imRahmen der PITZ-Kollaboration :I.Will u.a.

- Inbetriebnahme: Oktober 2001

- Erste Photoelektronen: 13. Januar 2002è erster Elektronen-Strahl an PITZ

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3. Funktion des Lasers bei PITZ

Photoeffekt: Erzeugung von Elektronen durch

Bombardierung der Photokathode mit Licht

Cavity

Photokathode: Caesiumtellurit

Photokathode

Laserstrahl

Elektronenstrahl

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Anforderungen an den Laser bei PITZ:

- Impuls-StrukturPhase I: Gauss Verteilung : σ ~ 6 psPhase II: Rechteck-Pulse: Anstiegs- u.

Abfallzeit < 1ps

- Flankensteilheit

- Konstanz der Amplituden der Einzelimpulse

- Raeumliche Verteilung der Intensitaet auf derKathode:

Phase I: GaussPhase II: Flat top (Rechteck-Profil)

- Beam –Durchmesser: 1, 3, 10 mm

- Wellenlaenge 262nm

- Energie/Pulse: 20 µJ Mikro-Pulse 16 mJ Pulszug

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Titel:(time.eps)Erstellt von:(ImageMagick)Vorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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4. PITZ

PhotoInjektor Teststand Zeuthen

Ziele:- Optimierung von lasergesteuerten Elektron-Guns

- Erzeugung flacher Strahlen

- Erzeugung polarisierter Elektronenstrahlen

- Test von Baugruppen

(s. Vortraege v. F.Stephan)

Stichworte:

- TESLA: TeV Superconducting Linear Accelerator- TTF: Tesla Test Facility- FEL: Free Electron Laser- TDR: Technical Design Report

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Titel:gun11.epsErstellt von:fig2dev Version 3.2 Patchlevel 3cVorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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Hauptkomponenten von PITZ

- Kathodensektion- Cavity-Sektion- Diagnosesektion- Vakuumsystem- HF-System- Laser- Kontrollsystem

(s. Vortrage v. I.Bohnet u. R.Wenndorf)

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5. Wie arbeitet ein Laser

Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation

Lichtverstaerkung durch stimulierte Emission vonStrahlung

Gegensatz:spontane Emission (Gluehlampe, Leuchtstofflampe)

Voraussetzung: Lasermedium

à Besetzungsinversion – Termschema - Pumpen

à metastabile Zustaende:

Termschema:

Anregungsniveau

Metastabiler Zustand

Grundzustand

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Grundbausteine eines Lasers:

Pumplichtsystem

Spiegel

Lasermedium Resonator

Laser: Oszillator oder Verstaerker

Lasermoden: Dauerstrich oder Pulslaser

Lasermaterialien:

- Gas: HeNe, Kohlendioxid- Festkoerper: Rubin- Halbleiter: Laserdioden- Farbstofflaser- Glas

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Eigenschaften des Laserlichtes:- Monochromasie- hohe Energiedichte- gebuendelter Strahl geringer Divergenz- Kohaerenz(geordnete Phasenbeziehungen in einer

Welle)

Laseranwendungen:- Materialbearbeitung- Wissenschaft: - kohaerente Lichtquelle

- monochromatische Lichtquelle- Impulslichtquelle (ps, fs)

- Medizin- Peilung- Laserpointer- Kunst- Holographie- CD- Nichtlineare Optik- Optische Speicher (Computer, Massenspeicher)- Kohaerenzoptik

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6. Nichtlineare Optik

Voraussetzung: sehr hohe Lichtintensitaetè hohe elektrische Feldstaerken imKristall

Einige Effekte:

- OPA: Optisch-parametrische Verstaerkungà abstimmbare Laser (Variation von Kristalllageund/oder Temperatur)

ω(3) = ω(1) + ω(2)

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- Absorption und Brechung als Funktion derLichtintensitaet oberhalb bestimmter Schwellen

- Phasenkonjugation in derGlasfaserkommunikation

- Mehrphotonenprozesse, z.B. Zweiphotonen-Absorption

- POCKELS-Effekt: elektro-optischer Effekt inFestkoerpern

- KERR-Effekt: elektro-optischer Effekt inFluessigkeiten

- Bildung von Summen und Differenzen-Frequenzen

- Selbstfokussierung

- Frequenzverdoppelung, hoehere Harmonische

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7. Optische Elemente des PITZ -Lasers

- Oszillator

- Verstaerker

- shutter: Pockels-Zelle (Verschluss)

- Linsen, Teleskope

- Spiegel

- Blenden

- Frequenz-Verdoppler

- Impulsformer, Modulatoren (elektro-optisch,akusto-optisch)

- Spaeter eventuell: OPA, OPO

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8. Optisches Schema des PITZ-Lasers

Lasertisch: 4,5 m x 2 m

8.1. Der PITZ-Laser (Stufe 1)

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Impulszug aud dem Oszillographen:- Ausgang des Oszillators (gelb)- Ausgang des Lasers nach Verstaerkern

(blau)- 1 Kaestchen: 200ps

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8.2. Technische Details

- Oszillator3m langer Resonator,Laserstaebe: etwa D5 x 20mmDiodenpumpen: Laserdioden 850nm ,300W

Laserstab

Optische Faser vonder Laserdiode

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- VerstaerkerVerstaerkung: 15 x je StufeBlitzlampen : 1ms, 2 Stueck pro LaserstabWasserkuehlung, Blitzlampe undLaserstab befinden sich im Wasser

- Shutter u. Timing54 MHz clock,Shutter: Formung d. Zeitstruktur desLaser outputsUnd: Verhinderung von Rueckwaerts-oscillationTechnische Loesung:- Pockelszelle > 1MHz roehrengesteuert, 5

kV, Scheibentriode

- Akusto-optische Modulatoren

- FilterungIn den Brennpunkten von Teleskoplinsenbzw. an Zwischenbildern derAustrittspupille: transversale Strahlprofil-Formung

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- VerrohrungJuni 2002 Strahlengang des Lasers

Steuerung- SPARC- framegrabber: 4 cameras- Schrittmotorsteuerung, zB. Phasen-

schieber- ADC: - Laserintensitaet

- Phasenspannungen- Delays- Blitzlampenspannungen zur Erreichung

des flat tops

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9. Laserstrahl-Transportsystem und ersteMessungen

ca. 25 m langer Lichtweg vom Lasertisch zurKathode

enthaelt:

- 1 Teleskop: f = 3 m und 7m- 1 pin- hole : raeumliches Filter: transversales

Strahlprofil- 7 Spiegel- 2 Spiegel und das pinhole sind in je 2

Freiheitsgraden remote steuerbar (R.Leiste)

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Titel:bild3.psErstellt von:Ghostscript ps2epsi from bild3.psVorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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Virtuelle Kathode

ausgespiegelter schwacher Strahl wird auf TVKamera gerichtet.Simulation von Strahlposition und transversalerEnergieverteilung auf der Kathode

Notwendig : Konversion : UV à sichtbares Licht

à YAG bedampfte Glasplatte

Suche: UV sensitive Kamera

Prinzip

Titel:(Grafik1)Erstellt von:(CorelDRAW Version 10.0)Vorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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Lichtverteilung des Laserflecks am Ort dervirtuellen Kathode

Titel:(\376\377)Erstellt von:(\376\377)Vorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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Erste Messungen des Laserstrahls mit derStreak-Kamera:

Streak-Kamera: Geraet zur Vermessungultra-kurzer Lichtpulse

Zeitaufloesung: 2 ps und 100 fs

( 0,000 000 000 002 s , 0,000 000 000 000 1 s)

Ziel: Messung der Laenge der Elektronen-Pakete in PITZ

Prinzip: Durch interne elektrischeAblenkung (wie beim Oszillographen) wirdZeit in den 2-dimensionalen Ortsraumtransformiert

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Prinzip der Streak-Kamera

Messung der Laenge des Laser-Impulses:

10 ps FWHM

Titel:(principle_of_streak_camera.cdr)Erstellt von:(CorelDRAW Version 10.0)Vorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

Titel:(\376\377)Erstellt von:(\376\377)Vorschau:Diese EPS-Grafik wurde nicht gespeichertmit einer enthaltenen Vorschau.Kommentar:Diese EPS-Grafik wird an einenPostScript-Drucker gedruckt, aber nichtan andere Druckertypen.

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10. Geplante Weiterentwicklung

Ziel: GAUSS è Rechteckform

in Zeit und Raum

Eine moegliche Variante:

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Weiterentwicklung: Phase II

Optimierung der Einzelpulsform:Pulslaenge: 5 – 20 psAnstiegs/Abfallzeit: < 1ps

Anwendung adaptiver Optik zur Optimierung dertransversalen Energieverteilung (Rechteckform)

Pumpen mit Laserdioden:Vorteil: - hoehere Pumpenergiedichte,zeitlich und raeumlich- bessere Regelbarkeit mit kurzen

Zeitkonstanten

Zeitplan:Bis etwa Ende 2002 Erarbeitung von zwei Variantenzur Realisierung eines Rechteckprofils der zeitlichenImpulsform im MBI

Sonstige Weiterentwicklung:- Verbesserung des Strahlengangs vom Laser zur

Streak-Kamera (Teleskop, Spiegelauszug 6/2002,7/2002)

- Verrohrung des Strahltransportsystems (6/2002)- Virtuelle Kathode: UV-Kamera- Intensitaetsmonitoring (z.Teil zeitaufgeloest)

imTunnel (Ende 2002)

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Nachbemerkung

Besichtigungen sind moeglich bei ausgeschaltetemLaser, aber in kleinen Gruppen. èTermin?